Una nueva técnica combina calor y tensión mecánica para obtener un material ligero y resistente a solo 700 °C, con potencial para abaratar su producción industrial.
- ♻️ Materia prima: lignina kraft de madera blanda y una fracción acuosa de bioaceite, ambos productos de bajo valor.
- 💪 Resistencia a tracción: hasta 2,45 GPa.
- 📏 Módulo de tracción: hasta 236 GPa.
- 🔥 Carbonización: los mejores resultados experimentales se consiguieron a solo 700 °C.
- ⏱️ Estabilización: otra de las técnicas desarrolladas reduce esta etapa de decenas de horas a unas 2-4 horas.
- 💰 Coste: los investigadores han estimado costes potenciales del orden de 9,2 €/kg en trabajos previos, aunque la viabilidad económica deberá confirmarse al escalar la producción.
Dos materiales de escaso valor procedentes de la industria del papel y de la producción de bioenergía podrían convertirse en la materia prima de una fibra de carbono de altas prestaciones, más económica y de origen biológico. Ingenieros de la Universidad Estatal de Iowa han desarrollado un proceso que aprovecha lignina y una fracción acuosa del bioaceite para fabricar fibras con propiedades mecánicas suficientes para aplicaciones exigentes, incluida la automoción.
La tecnología busca resolver dos problemas al mismo tiempo: encontrar usos de mayor valor para subproductos industriales abundantes y reducir la dependencia de los precursores derivados del petróleo empleados habitualmente para fabricar fibra de carbono. El siguiente desafío será demostrar que el proceso puede pasar de pequeños lotes de laboratorio a una producción continua a escala comercial.
De dos subproductos baratos a un material de altas prestaciones
La primera materia prima es la lignina kraft, un componente natural que proporciona rigidez y resistencia a las paredes celulares de las plantas y que aparece en grandes cantidades como coproducto de la industria de la pasta y el papel.
La lignina resulta especialmente interesante porque contiene una elevada proporción de carbono. Sin embargo, convertirla en fibras de carbono suficientemente resistentes ha sido durante décadas un problema técnico.
El segundo ingrediente procede de la pirólisis rápida de biomasa. En este proceso se calientan materias primas como restos de maíz o astillas de madera para obtener bioaceite, además de otros productos como biocarbón. Una de las fracciones acuosas del bioaceite tiene relativamente poco valor comercial.
El equipo dirigido por Xianglan Bai, profesora de Ingeniería Mecánica y directora asociada del Bioeconomy Institute de la Universidad Estatal de Iowa, trabaja precisamente en combinar la valorización de estos materiales con la producción de fibra de carbono.
La idea resulta especialmente atractiva desde el punto de vista de la economía circular: utilizar corrientes secundarias de dos industrias existentes para fabricar un material mucho más valioso.
El problema histórico de fabricar fibra de carbono con lignina
La posibilidad de utilizar lignina como precursor de fibra de carbono no es nueva. Se investiga desde hace décadas, pero las fibras obtenidas normalmente presentaban unas propiedades mecánicas demasiado bajas para aplicaciones estructurales exigentes.
Una de las dificultades se encuentra en la propia estructura molecular de la lignina. A diferencia de otros polímeros empleados como precursores, presenta una arquitectura heterogénea y poco orientada, algo que dificulta conseguir una estructura de carbono ordenada y resistente.
El grupo de Iowa State encontró una posible solución mediante un proceso denominado termomecanoquímica de la lignina.
En lugar de limitarse a calentar las fibras, el procedimiento combina de forma controlada temperatura y tensión mecánica durante su procesamiento.
Esta combinación modifica las reacciones químicas que experimenta la lignina y favorece la formación de estructuras de carbono más orientadas. Según los investigadores, es precisamente esta reorganización la que permite obtener propiedades mecánicas muy superiores a las conseguidas tradicionalmente con fibras basadas en lignina.
Una fibra que alcanza 2,45 GPa de resistencia
Los resultados obtenidos en laboratorio son especialmente relevantes.
Una de las fibras fabricadas alcanzó una resistencia a tracción media de 2,45 GPa y un módulo de tracción de 236 GPa cuando fue carbonizada a 700 °C.
Son valores que superan los objetivos citados por los investigadores para determinadas aplicaciones en automoción, de 1,72 GPa de resistencia y 172 GPa de módulo.
Además, el estudio publicado en Green Chemistry demostró que la lignina podía transformarse en fibra de carbono de altas prestaciones sin tratamientos químicos previos ni aditivos, utilizando fundamentalmente el control combinado del calentamiento y la tensión mecánica.
Otro aspecto llamativo es la temperatura.
La fabricación convencional de determinados tipos de fibra de carbono puede requerir tratamientos térmicos muy elevados. En estos experimentos, las mejores propiedades se obtuvieron con una temperatura final de carbonización de 700 °C.
De hecho, elevar todavía más la temperatura no mejoró necesariamente el resultado. Las fibras producidas a 800, 900 y 1.000 °C presentaron propiedades mecánicas inferiores a las obtenidas a 700 °C.
El bioaceite ayuda a acelerar la fabricación
El equipo también ha desarrollado otra estrategia complementaria.
La fracción acuosa del bioaceite puede emplearse para modificar ligninas que normalmente no pueden fundirse adecuadamente, transformándolas en precursores susceptibles de procesarse mediante hilado por fusión.
Este avance tiene una consecuencia importante para una futura fabricación industrial: el tiempo necesario para estabilizar las fibras hiladas puede reducirse desde decenas de horas hasta aproximadamente 2-4 horas.
La estabilización es una de las etapas que pueden convertirse en cuello de botella durante la fabricación de fibra de carbono. Reducir drásticamente su duración podría disminuir tanto el consumo energético como los costes de producción.
Una alternativa a los precursores derivados del petróleo
La fibra de carbono combina una elevada resistencia mecánica con un peso reducido, una característica especialmente apreciada cuando disminuir la masa de una estructura aporta ventajas energéticas o funcionales.
Actualmente se utiliza en aeronáutica, automoción, aerogeneradores, infraestructuras, bicicletas de altas prestaciones y deportes de competición, entre otras aplicaciones.
Sin embargo, buena parte de la fibra de carbono comercial se fabrica a partir de precursores de origen fósil y su coste continúa limitando su utilización masiva.
La lignina presenta una ventaja importante: es abundante y ya se genera como subproducto de otras actividades industriales. El estudio científico señala que solo una pequeña proporción de la lignina generada por la industria papelera se destina actualmente a productos químicos de mayor valor, mientras que gran parte termina utilizándose como combustible.
Convertirla en fibra de carbono supondría, por tanto, ascender varios escalones en la cadena de valor del material.
El coste podría ser una de sus grandes ventajas
Los investigadores también han realizado evaluaciones económicas preliminares.
En una explicación posterior del trabajo, Bai situó el coste calculado de fabricación en aproximadamente 4,17 dólares por libra, equivalentes a unos 9,2 dólares por kilogramo. La comunicación más reciente de Iowa State habla asimismo de mantener el coste por debajo de 5 dólares por libra en determinados escenarios y cita el objetivo de situarse en el intervalo de 5-7 dólares por libra.
Estas cifras deben interpretarse con prudencia: no representan todavía el precio de una fibra producida industrialmente a gran escala. Se basan en análisis y desarrollos experimentales, y precisamente uno de los objetivos de la siguiente fase del proyecto es comprobar su viabilidad comercial.
El siguiente paso será fabricar la fibra de forma continua
Hasta ahora, la tecnología se ha demostrado principalmente mediante producción por lotes en laboratorio.
La Fundación Nacional de Ciencias de Estados Unidos (NSF) ha concedido al proyecto una financiación de 2 millones de dólares durante cuatro años para avanzar hacia una plataforma de fabricación continua y comercialmente relevante.
En el proyecto participan además empresas y organizaciones especializadas en materiales y fabricación, entre ellas Harper International, Latis Materials y Rise Energy.
La siguiente fase deberá demostrar que las propiedades conseguidas en laboratorio pueden mantenerse cuando aumente el volumen de producción, además de fabricar materiales compuestos, comprobar la consistencia de las fibras y realizar nuevos análisis técnico-económicos.
Ese escalado será decisivo. Conseguir una fibra excelente en pequeñas cantidades no garantiza que pueda producirse de forma competitiva y uniforme en una instalación industrial.
Si el proceso supera ese obstáculo, la lignina y otras corrientes de bajo valor de la bioeconomía podrían pasar de ser subproductos utilizados principalmente como combustible a convertirse en materias primas para fabricar componentes ligeros y resistentes destinados al transporte, las energías renovables o las infraestructuras.
La propuesta reúne así dos elementos especialmente interesantes: sustituir parcialmente materias primas fósiles y, al mismo tiempo, convertir residuos y coproductos de procesos existentes en materiales de mucho mayor valor añadido.
Vía Universidad Estatal de Iowa
Más información: Introducing thermo-mechanochemistry of lignin enabled the production of high-quality low-cost carbon fiber†
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